信號調(diào)理器——專為基于PC的控制

　　他還說：“信號調(diào)理模塊需要消除的另一個現(xiàn)象是接地點回路。隔離器能夠切斷任何一條接地點回路。”
　　線性化也是我們需要考慮的一個問題。傳感器利用某個物理量的變化產(chǎn)生電信號。例如，金屬絲受到拉伸作用后，其電阻值會發(fā)生變化。我們可以利用這一現(xiàn)象來測量應(yīng)力大小。一般來說，被測物理量的變化量與電信號的變化量之間基本呈線性關(guān)系。但是，單純的線性傳感器往往不能滿足控制方面的實際要求。大多數(shù)情況下，測量環(huán)節(jié)需要作二階甚至三階的非線性誤差修正。
　　Smith說：“在信號調(diào)理環(huán)節(jié)就進(jìn)行線性化修正的優(yōu)點在于：不必占用PC寶貴的時間進(jìn)行數(shù)學(xué)計算（諸如泰勒級數(shù)展開之類）或查表修正。”
　　Keithley Instrument主管數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的市場總監(jiān)Chuck Cimino說：“我一直很重視單位轉(zhuǎn)換。當(dāng)你實際使用一個控制時，你希望得到的可能是溫度值、壓力值和流量值，而不是電壓值。難道你能夠通過心算把多少毫伏相應(yīng)轉(zhuǎn)換為多少攝氏度嗎？你會需要系統(tǒng)為你作這樣的換算。”
　　他還說：“濾波器的地位十分重要。因為許多信號中包含了多余的頻率成分。例如，接近度傳感器會傳送出輕微抖動引起的信號。”
　　因此，一個常規(guī)的信號調(diào)理子系統(tǒng)可能包括：
　　■ 電路隔離器——典型的就是光隔離器，通過把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再轉(zhuǎn)換回電信號，從而達(dá)到切斷接地點回路以及限制跳變電壓的目的；
　　■ 一個或多個放大器，用來調(diào)整傳感器信號的幅值（包括線性化），同時滿足阻抗、參考電位以及接地點電位方面的要求；
　　■ 一個或多個濾波器，用來限制電磁波的頻率；
　　■ 最后還需要一個激勵源。

信號調(diào)理模塊包括了針對特定傳感器而設(shè)計的隔離器、放大器、濾波器以及激勵源。

　　配置方案
　　Padhye說：“現(xiàn)在，雖然新推出的產(chǎn)品已經(jīng)開始將信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊整合在一套設(shè)備中了，但是我們?nèi)匀豢梢圆少彽綄Ｓ玫男盘栒{(diào)理模塊。這兩種配置方案分別針對不同的應(yīng)用場合。兩者各有優(yōu)勢，也都是很常用的。針對信號數(shù)目龐大的系統(tǒng)，可以讓每一組信號先經(jīng)過調(diào)理，然后接入多路復(fù)用器的一個信道，再傳送入數(shù)據(jù)采集模塊。采用這種方案雖然無法達(dá)到很快的信號處理速度，但是可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”
　　Nelson說：“我們要做的事情就是借助于一張符合Profibus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的PCI卡，把信號傳送到標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I/O）子系統(tǒng)。”
　　Dataforth的Smith說：“大多數(shù)系統(tǒng)都被安裝在符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱機(jī)柜內(nèi)，從而得到有效的保護(hù)。信號調(diào)理模塊一般會被安裝在這些機(jī)箱機(jī)柜的輸入端（DIN）的金屬框上。”
　　在過去幾年中，歐洲地區(qū)首先開始把信號調(diào)理模塊安裝在金屬框上，隨后，這種做法在美國也得到了推廣。金屬框可以放在貼近平板或墻面的位置。信號調(diào)理模塊的外殼一般是用耐高溫塑料制成的，還有一個特殊的底邊，可以粘在金屬框架上。每一個這樣的模塊都會有一組導(dǎo)線與現(xiàn)場設(shè)備相連，還有另一組導(dǎo)線與DAQ的輸入端相連。據(jù)Smith 介紹：“在把模塊安裝到金屬框上的整個過程中，理清這些導(dǎo)線可以說是最令人頭痛的工作了。”
　　另一種流行的信號調(diào)理電路配置方案是Smith所說的“插座式”模塊。信號調(diào)理電路被封裝在一個長度和寬度各為1英寸，厚度為1/2英寸的塑料殼體內(nèi)。殼體的底部有連接電路板（背板）的插孔。一塊背板一般包括了2組、4組、8組或16組信道。與計算機(jī)連接的導(dǎo)線通過后面板上的印刷電路連接到接口。如果要把信號調(diào)理模塊連到DAQ的輸入端，只要把連接導(dǎo)線的一端插入這個接口，另一端插入DAQ卡的輸入接口就可以了。
　　第三種強大的配置方案是所謂的主機(jī)箱模式。機(jī)箱上提供了信號線、冷卻裝置以及電源接口，信號調(diào)理模塊只要直接插入這些接口就可以使用了。計算機(jī)總線架構(gòu)可以通過諸如VXI、ComPACtPCI、PXI之類的各種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展成為與外接設(shè)備兼容的形式。名稱中含有“XI”的標(biāo)準(zhǔn)是基于標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)總線的，同時還提供了一些附加功能。例如，觸發(fā)線就是儀器系統(tǒng)所需要的附加功能。具體來說，VXI是VMEbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，而PXI是PCIbus的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。
　　Smith說：“信號調(diào)理模塊可以形成一組陣列。如果他們沒有被封裝在一個模塊里，我很樂意把它們稱為‘面包片’。它們是一種前面板很空的電路模塊，前面板上可能只有一個電源指示燈或一些為工程師提供的測試點。”
　　信號調(diào)理模塊一般都會為與現(xiàn)場設(shè)備的連接提供接口，從而為連接現(xiàn)場設(shè)備提供極大的便利。如果要斷開與現(xiàn)場設(shè)備的連接，你就不必把整個模塊從機(jī)箱上拆下來了。
　　Keithley的Cimino指出：“現(xiàn)在的PXI分為USB與FireWire兩種形式，而LXI同時是設(shè)備和數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。LXI其實就是在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議上增加了定時處理以及另一些測量程序。”
　　據(jù)Cimono說，基于舊版的通用設(shè)備總線（GPIB）的設(shè)備仍然占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備9

　　作出選擇
　　為PC控制系統(tǒng)選擇信號調(diào)理器首先要考慮它是否與傳感器配套。
　　國家儀器的Padhey說：“在提出方案之前，控制系統(tǒng)設(shè)計者必須了解系統(tǒng)所要處理的信號類型。只有當(dāng)設(shè)計者初步了解了模擬、數(shù)字信號的數(shù)量和類型之后，信號調(diào)理模塊才有用武之地：把信號轉(zhuǎn)換到安全的、可測的水平。”　　

　　現(xiàn)在的半導(dǎo)體集成方法包括可以直接插入后面板、帶有現(xiàn)場信號終端的高度壓
縮信號調(diào)理模塊，以及輸入的線纜DAG。

　　信號調(diào)理模塊的性能由傳感器的性能所決定，每一種傳感器都有對應(yīng)的信號調(diào)理電路。針對J型熱電偶傳感器、應(yīng)力測量儀以及各種不同配置方案下的傳感器都有對應(yīng)的信號調(diào)理模塊。
　　為一套系統(tǒng)選擇配置方案帶有強烈的主觀性，雖說在某些情況下應(yīng)該選擇何種方案是顯而易見的。如果你把基于PC的控制電路與其它硬件設(shè)備一起安裝在輸入端的金屬框上，那么你就應(yīng)該把信號調(diào)理電路也安裝在金屬框上。如果你面對的恰好是一個基于Profibus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，那么你顯然應(yīng)該使用基于Profibus的方案。選擇何種配置方案主要取決于你把信號輸入DAQ卡和計算機(jī)中的方式。
　　位于法國和瑞士邊界的歐洲核子研究中心（又名CERN）有一臺大型粒子對撞機(jī)。在那里，如果某塊電路安裝在射線附近，強大的輻射場就會把它徹底摧毀。這種環(huán)境下，自控系統(tǒng)配置方案的選擇余地就十分有限了。CERN的控制系統(tǒng)工程師Alessandro Masi選擇了這樣的方案：通過長達(dá)800米的電纜把信號接入位于遠(yuǎn)端PXI機(jī)箱內(nèi)的信號調(diào)理模塊。